Współpraca pomp ciepła z grzejnikami. Kiedy będą dobrym źródłem ciepła?
Pompy ciepła to nowoczesne urządzenia grzewcze, wykorzystujące odnawialne źródła energii do wytwarzania ciepła. Zalety pomp ciepła można najlepiej wykorzystać w instalacjach niskotemperaturowych, czyli przede wszystkim w ogrzewaniu podłogowym. Pod pewnymi warunkami pompy ciepła mogą też być dobrym źródłem ciepła dla instalacji z grzejnikami.
Spis treści
- Temperatura zasilania a efektywność pompy ciepła
- Temperatura zasilania a wielkość grzejników
- Wyższa temperatura zasilania
- Optymalizacja pracy
- Układy dwustrefowe
- Podsumowanie
Pompy ciepła, dzięki pozyskiwaniu darmowej energii słonecznej zakumulowanej w gruncie, wodzie lub powietrzu i dostarczaniu jej do ogrzewania budynku, pozwalają w znacznym stopniu obniżyć koszty produkcji ciepła. Aby były rzeczywiście niskie, konieczna jest korelacja wielu czynników. Należy zadbać o wysoki standard energetyczny budynku, odpowiednie zwymiarowanie pompy ciepła, ale także uwzględnienie jej specyfiki przy projektowaniu i doborze instalacji grzewczej, którą będzie zasilać.
Temperatura zasilania a efektywność pompy ciepła
Jedną z najważniejszych kwestii, jaką powinno się wziąć pod uwagę, planując połączenie w jednym układzie grzewczym pompy ciepła i grzejników, jest zależność między temperaturą zasilania systemu grzewczego a efektywnością. Im mniejsza różnica temperatury między źródłem ciepła a odbiornikiem, czyli ośrodkiem, do którego ciepło jest dostarczane, tym sprężarka pompy ciepła musi wykonać mniejszą pracę, a więc pobrać mniej energii elektrycznej. Dzięki temu osiąga wyższą efektywność.Aby móc porównywać różne pompy ciepła pod tym względem, określa się ich współczynnik efektywności COP, wyrażający stosunek ilości dostarczonego przez nie ciepła do ilości energii elektrycznej potrzebnej do ich zasilania. Wyższa wartość COP oznacza, że zużywa się mniej energii elektrycznej do uzyskania tej samej ilości ciepła, a więc ponosi się niższe koszty.
Zależność między temperaturą zasilania a efektywnością pompy ciepła dobrze obrazują wartości współczynników efektywności energetycznej COP dla różnych parametrów pracy, które można odczytać z kart technicznych konkretnych urządzeń (trzeba przy tym zwrócić uwagę, aby porównywać takie same warunki pracy, czyli temperaturę otoczenia i temperaturę zasilania instalacji grzewczej).
Dla przykładowej pompy ciepła typu powietrze-woda współczynnik COP kształtuje się na poziomie 4,95 dla temperatury na wyjściu 35°C oraz temperatury zewnętrznej wynoszącej 7°C (A7/W35) i około 3,05 dla temperatury na wyjściu równej 55°C przy takiej samej temperaturze otoczenia (A7/W55). Z kolei dla pompy typu grunt-woda COP wynosi 4,5 (B0/W35) dla temperatury zasilania 35°C i temperatury dolnego źródła (glikolu) 0°C, a 2,86 (B0/W55) dla 55°C.
Widać, że ta sama pompa ciepła w systemach niskotemperaturowych ma wyższą efektywność. Podobną zależność zauważymy także, gdy porównamy sezonowy współczynnik efektywności SCOP (również dane na jego temat znajdziemy w karcie technicznej urządzenia), który określa stosunek ilości energii przekazanej do instalacji grzewczej w ciągu całego sezonu grzewczego do energii elektrycznej pobranej przez pompę ciepła w tym samym okresie. Uwzględnia ona zmieniające się warunki pracy urządzenia, a przez to jest bliższy rzeczywistym parametrom.
Jakie to ma znaczenie dla systemu, którym ciepło będzie dystrybuowane do poszczególnych pomieszczeń? Powinno się go zaprojektować na możliwie niskie parametry zasilania. Stąd też powszechne przekonanie o dobrej współpracy ogrzewania płaszczyznowego, zwłaszcza podłogowego, z pompami ciepła, bo jest ono właśnie niskotemperaturowe – temperatura zasilania to zwykle 30–35°C. Wynika to ze sposobu oddawania przez nie ciepła, głównie przez promieniowanie, ale też maksymalnej dopuszczalnej temperatury podłogi zapewniającej komfort użytkownikom (nie wyższa niż 29–33°C). Powierzchnia grzejącej podłogi jest znacząco większa niż każdego grzejnika ściennego, dlatego może mieć niższą temperaturę niż on.
W praktyce instalacje z grzejnikami projektuje się na temperaturę zasilania co najmniej 50°C. Jeśli więc źródłem ciepła w instalacji grzewczej ma być pompa ciepła, a jednocześnie nie chcemy lub nie możemy zupełnie zrezygnować z grzejników, układ grzewczy powinien zostać zaprojektowany na jak najniższe możliwe parametry (najczęściej jest to 50°C na zasileniu i 40°C na powrocie) i odpowiednio do nich dobrane grzejniki. Trzeba być jednak przygotowanym na to, że pompa ciepła zasilająca instalację z tradycyjnymi grzejnikami zużyje więcej energii elektrycznej niż współpracująca z ogrzewaniem podłogowym (bo grzejniki trzeba zasilać wodą o wyższej temperaturze niż podłogówkę).
W bardzo dobrze ocieplonych nowych domach, a także obiektach remontowanych, które przeszły gruntowną termomodernizację i mają niewielkie straty ciepła, różnice te mogą nie być znaczące. Nie będzie też to bardzo istotne w domach wyposażonych w instalację fotowoltaiczną, wytwarzającą darmową energię elektryczną, którą można wykorzystać do zasilania domowych urządzeń, w tym ogrzewania.
Temperatura zasilania a wielkość grzejników
System ogrzewania musi zapewniać komfort cieplny w pomieszczeniach, czyli ogrzewać je do 20°C, a w przypadku łazienek –do 24°C. Musi więc pokryć straty ciepła w tych pomieszczeniach nawet wtedy, gdy na zewnątrz będą temperatury ujemne (od –16 do –24°C w zależności od regionu kraju). W tym celu oblicza się potrzebną moc grzejników, a następnie zakłada się temperaturę zasilania oraz powrotu instalacji grzewczej i – uwzględniając przy tym współczynniki korekcyjne – dobiera wielkość grzejników.
Przykładowo, dla instalacji grzewczej o parametrach pracy 75/55/20°C (temperatury: zasilania, powrotu, w pomieszczeniu) grzejnik stalowy dwupłytowy, o mocy 1000 W i usytuowany pod oknem, o wysokości 60 cm będzie miał długość 80 cm. Jeśli obniżymy temperaturę zasilania i powrotu do wartości 50/40°C, to przy takiej samej wysokości grzejnika do uzyskania mocy blisko 1000 W jego długość zwiększy się do 180 cm, a dla parametrów 50/35°C – aż do 230 cm (przy doborze uwzględniono zwiększenie powierzchni o 15% z uwagi na zastosowanie zaworu termostatycznego, przez co różnica długości jest jeszcze większa).
W uproszczeniu można przyjąć, że wraz z obniżaniem temperatury zasilania do pokrycia strat ciepła w pomieszczeniu potrzebne są coraz większe grzejniki. Z taką sytuacją możemy mieć do czynienia podczas doboru grzejników przy niskiej temperaturze zasilania czynnika grzewczego przygotowywanego przez pompę ciepła. Może się okazać, że w takim przypadku standardowe grzejniki musiałyby mieć bardzo dużą powierzchnię albo konieczne byłoby zamontowanie w jednym pomieszczeniu np. dwóch grzejników. Nie zawsze łatwo znaleźć na nie miejsce we wnętrzu szczególnie, że powinny zostać ulokowane pod oknem, ewentualnie na ścianie zewnętrznej, bo wówczas najlepiej oddają ciepło.
Jeśli nie chcemy rezygnować z wysokiej efektywności systemu grzewczego, można rozważyć wybór grzejników niskotemperaturowych. Tego typu grzejniki konstruuje się w taki sposób, aby elementy odpowiadające za wymianę ciepła miały jak największą powierzchnię, a jednocześnie ich pojemność wodna była stosunkowo niewielka. Dzięki temu są w stanie przy znacznie niższej temperaturze zasilania przekazać do pomieszczeń taką samą ilość ciepła co grzejniki standardowe. Rozwiązuje się to na różne sposoby, np. stosuje bardzo gęste ożebrowanie, materiały charakteryzujące się wysokim współczynnikiem przewodzenia ciepła czy wentylatory wymuszające obieg powierza.
Analizując możliwość zastosowania urządzeń niskotemperaturowych, warto też zwrócić uwagę na klimakonwektory, które oprócz funkcji grzewczych zimą, latem – w czasie upałów – mogą też pracować jako klimatyzatory. Dzięki wyposażeniu w wentylatory, które intensyfikują wymianę ciepła w pomieszczeniu, mimo niskiej temperatury zasilania i kompaktowej budowy mogą zapewniać komfort cieplny.
Minusem urządzeń z mechanicznym wymuszaniem przepływu powietrza są słyszalne odgłosy pracy wentylatorów, które mogą przeszkadzać szczególnie nocą i przez to nie dla każdego będą dobrym wyborem. Planując zamontowanie klimakonwektorów, trzeba to uwzględnić również przy wyborze pompy ciepła i wybrać model z funkcją chłodzenia
Przeczytaj również:
- Te pompy ciepła bez dofinansowania w 2024! Zmiany w dotacjach od 1 kwietnia
- Krzywa grzewcza w pompie ciepła - co to jest? Jaka powinna być krzywa grzewcza? Jak ją ustawić?
Wyższa temperatura zasilania
Są jednak sytuacje, w których znaczne obniżenie temperatury zasilania obiegu grzewczego nie jest możliwe. Grzejniki muszą bowiem nie tylko pokryć zapotrzebowanie na ciepło, ale też mieć odpowiednie wymiary, ponieważ zwykle trzeba je zmieścić we wnęce podokiennej lub wygospodarować na nie miejsce na ścianie zewnętrznej.
Aby więc znaleźć kompromis między mocą grzejnika a jego wielkością, czasami konieczne jest zasilanie instalacji grzejnikowej czynnikiem grzewczym o temperaturze wyższej niż 50°C. Ma to zwykle miejsce w modernizowanych domach, w których stare źródło ciepła, np. kocioł, chcemy zastąpić nowoczesną pompą ciepła lub ewentualnie utworzyć układ hybrydowy (gdy kocioł jest w dobrym stanie technicznym instalację można doposażyć w pompę ciepła, która będzie pracowała przez większą część sezonu grzewczego, a jedynie w czasie największych mrozów funkcje grzewcze przejmie kocioł), zaś możliwości zmian w instalacji grzewczej i aranżacji pomieszczeń są mocno ograniczone. Wówczas jako źródło ciepła można wybrać pompę ciepła, która jest w stanie zapewnić temperaturę zasilania obiegu grzewczego na poziomie do 65°C, a można znaleźć modele gwarantujące nawet 70°C na zasileniu przy temperaturze zewnętrznej na poziomie –10°C.
Te modele czasami nazywane są pompami wysokotemperaturowymi. Taka opcja może sprawdzić się właśnie w modernizowanym budynku, gdzie nie ma możliwości znacznego zwiększenia powierzchni grzejników lub dodania nowych ani też zastąpienia grzejników ogrzewaniem podłogowym. Akceptujemy wyższą temperaturę zasilania układu grzewczego wraz z jej konsekwencjami, czyli pracą pompy ciepła z nieco mniejszą efektywnością. W zamian za to ograniczamy zakres prac remontowych i modernizacyjnych.
Trzeba przy tym sprawdzić, dla jakiej temperatury zewnętrznej podawana jest wartość maksymalnej temperatury czynnika grzewczego na wyjściu z pompy ciepła, bo może nie być osiągana przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Aby wówczas zapewnić właściwe parametry pracy ogrzewania (odpowiednio wysoką temperaturę zasilania na wyjściu z urządzenia), konieczne może być uruchomienie grzałki elektrycznej współpracującej z pompą ciepła lub dodatkowego źródła ciepła w układach hybrydowych. Graniczne temperatury działania pompy ciepła można sprawdzić w karcie technicznej, na tzw. wykresie obszaru pracy urządzenia. Dotyczy to przede wszystkim bardzo niskiej temperatury otoczenia dla powietrznych pomp ciepła. Pompy gruntowe pracują w bardziej stabilnych warunkach, bo pozyskują energię z gruntu poniżej strefy przemarzania, dlatego ich ten problem w większości ich przypadków nie dotyczy.
Optymalizacja pracy
Jeśli pompa ciepła ma współpracować z instalacją grzejnikową, trzeba zapewnić jej stabilną i efektywną pracę. Układ z grzejnikami będzie miał małą pojemnością wodną i niewielką bezwładność, co może mieć wpływ na problemy eksploatacyjne. Przy bezpośrednim połączeniu grzejników z pompą ciepła za każdym razem, gdy temperatura w pomieszczeniu obniżyłaby się i potrzebne byłoby jego ogrzanie, konieczne byłoby uruchomienie sprężarki źródła ciepła. Grzejniki szybko oddają ciepło i nagrzewają pomieszczenie, więc pod dość krótkim czasie następowałoby wyłączenie się ogrzewania. Takie częste włączanie i wyłączanie sprężarki nie jest wskazane, bo skraca się jej żywotność i występuje większe niebezpieczeństwo awarii. W układach z ogrzewaniem podłogowym, które mają znaczną pojemność wodną, a przykrywająca je podłoga (w tym warstwa betonowej wylewki) ma zdolność akumulacji ciepła i powolnego jego oddawania, częstotliwość włączeń sprężarki jest mniejsza i zwykle nie powoduje problemów eksploatacyjnych.
Do zwiększenia pojemności cieplnej instalacji z grzejnikami i zapewnienia stabilnych warunków pracy służą zbiorniki buforowe. Zgromadzona w buforze woda akumuluje duże ilości ciepła, które następnie – zależnie od zapotrzebowania na ciepło w pomieszczeniach – jest przekazywane do instalacji grzewczej i dalej do grzejników. Dzięki temu pompa ciepła może się rzadziej włączać, co optymalizuje pracę sprężarki i pozytywnie wpływa na jej żywotność.
Zbiorniki buforowe stosuje się zarówno w instalacjach z grzejnikami, jak i w systemach mieszanych (z grzejnikami i ogrzewaniem podłogowym). Trzeba na nie przewidzieć miejsce w pobliżu źródła ciepła, a zwykle nie są małe – mogą mieć nawet kilkaset litrów pojemności.
Układy dwustrefowe
Idealnym rozwiązaniem byłoby od razu zaprojektować pompę ciepła jako źródło ciepła i dla jej specyficznych wymagań przygotować cały system grzewczy. Największą efektywność zapewniałoby ułożenie ogrzewania płaszczyznowego podłogowego w całym domu. W praktyce jednak takie rozwiązanie nie jest powszechnie stosowane (nawet w nowych domach) z uwagi na ograniczenia, jakie mają systemy ogrzewania podłogowego (nie każdy rodzaj posadzki można na nich ułożyć, elementy stałej zabudowy i meble zmniejszają efektywną powierzchnię grzewczą, temperatura podłogi nie może być zbyt wysoka, a przez to w przypadku wielkoformatowych przeszkleń, które są standardem w nowoczesnych domach, mogą nie wystarczyć do pokrycia zapotrzebowania na ciepło).
Z tych względów częściej wykorzystywane są układy mieszane z grzejnikami i podłogówką w jednej instalacji. Ogrzewanie podłogowe jest zlokalizowane w strefie dziennej, holu, kuchni, najczęściej obejmującej większą część parteru, gdzie na podłodze układa się płytki ceramiczne lub kamień. Z kolei grzejniki umieszcza się w sypialniach, gabinetach czy łazienkach. Instalacja musi być wtedy zaprojektowana w tzw. układzie dwustrefowym: do tradycyjnych grzejników jest kierowany czynnik grzewczy o wyższej temperaturze (50°C), a do pętli ogrzewania podłogowego – o niższej (35°C). Taki układ wymaga wykonania dwóch obiegów grzewczych z pompami obiegowymi i zwykle zaworem mieszającym, który będzie obniżał temperaturę wody kierowanej do obiegu ogrzewania płaszczyznowego, a także zbiornikiem buforowym, w którym czynnik grzewczy będzie podgrzewany przez pompę ciepła.
Do takiego układu można też wybrać pompę ciepła dwustrefową, która ma wbudowany nie tylko zbiornik buforowy, ale też niezbędny osprzęt instalacyjny (pompy obiegowe, naczynie wzbiorcze), pozwalający w stosunkowo prosty sposób podłączyć dwa obiegi grzewcze o różnych temperaturach zasilania, które będą względem siebie kompatybilne.
Podsumowanie
Każdy budynek i każdą instalację trzeba rozpatrywać indywidualnie, dobierając najlepsze rozwiązanie dla konkretnych warunków. Dobrze jest przy tym zlecić specjaliście wykonanie bilansu cieplnego wraz ze szczegółowymi wyliczeniami strat ciepła dla poszczególnych pomieszczeń i doborem parametrów pracy instalacji oraz wielkości grzejników. Dotyczy to zarówno nowych instalacji, jak i modernizowanych, w których może wystąpić więcej ograniczeń wymagających uwzględnienia.
Programy komputerowe pozwalają wykonać symulację różnych wariantów – sprawdzić wielkość grzejników dla różnych parametrów pracy instalacji, dobrać ich optymalne wymiary i rodzaj, a także porównać, jak poszczególne prace termomodernizacyjne i ich zakres wpływają na zapotrzebowanie na ciepło i moc grzejników. Może się okazać, że podczas modernizacji instalacji w starym domu, który jednocześnie poddawany jest termomodernizacji, a więc poprawią się jego parametry cieplne, wielkość starych grzejników wcześniej dobranych na wysokie parametry, ale przy dużych stratach ciepła, będzie odpowiednia dla nowych warunków, czyli niskich parametrów zasilania instalacji przy znaczącym podwyższeniu standardu energetycznego domu. Można rozważyć ich pozostawienie i w ten sposób ograniczyć zakres prac modernizacyjnych (a więc i obniżyć koszty), pod warunkiem jednak, że będą w dobrym stanie technicznym i odpowiednie pod względem estetyki.
